Energiebilanz Wer nicht kann, was er will, der möge das wollen, was er kann. Leonardo da Vinci
Energie: Definitionen u. Einheiten Frühere Masseinheit: Kalorie (cal) 1 Kalorie = Wärmemenge, die nötig ist, um die Temperatur von 1 g Wasser bei Normaldruck von 14,5 C auf 15,5 C zu erhöhen Heutige Masseinheit: Joule (J) 1 Joule = die Arbeit, die verrichtet wird, wenn die Kraft 1 Newton [N] um 1 Meter [m] bewegt wird (SI-Einheit) 1 kcal = 4,184 kj 1 kj = 0,239 kcal 1 MJ = 1000 kj 1 MJ = 239 kcal
Definition: Brennwerte Physikalischer Brennwert Der physikalische Brennwert gibt die Wärmemenge an, die bei der vollständigen Verbrennung einer Substanz zu CO2, H2O und Stickoxiden im Bombenkalorimeter frei wird. Physiologischer Brennwert Der physiologische Brennwert bezieht sich auf den Energiegewinn aus der Oxidation der zugeführten Nahrung im Intermediärstoffwechsel des Körpers und wird mit Hilfe der direkten oder indirekten Kalorimetrie bestimmt.
Energiegehalt einzelner Substrate Substrat Verbrennungswärme 1 [kcal/g] Verdaubare Energie [kcal/g] Metabolisierbare Energie 2 [kcal/g] ([kj/g]) Kohlenhydrate 4,10 4,0 4,0 (17) Fette 9,45 9,0 9,0 (38) Eiweiss 5,65 5,2 4,0 (17) Alkohol 7,10 7,1 7,0 (29) 1 : Durch Bombenkalorimeter bestimmt (vollständige Oxidation); sog. Bruttoenergie 2 : Für den Praxisalltag empfohlene Durchschnittswerte
Komponenten des Energieumsatzes Der über einen bestimmten Zeitraum ablaufende Total- oder Gesamtenergieumsatz setzt sich aus unterschiedlichen energieumsetzenden Prozessen zusammen: Grundumsatz oder Ruheenergieumsatz Physikalische Aktivität Thermoregulation Energie, die durch extern oder intern induzierten Schmerz verursacht wird Nahrungsinduzierte Thermogenese
Anteil Komponenten am E-Verbrauch sonstige 2-7% nahrungsinduziert 6-10% körperliche Aktivität 15-30% Grundumsatz 60-75%
Energie Umsatzgrössen Der Gesamtenergiebedarf (GEB) setzt sich zusammen aus: Grundumsatz + Arbeitsumsatz Freizeitumsatz Leistungsumsatz Thermogenese Schmerz, Stress Wie berechne ich den Grundumsatz? Wie berechne ich den zusätzlichen Energieumsatz?
Energieumsatz der lebenden Zelle 100 = Tätigkeits Umsatz 50= Bereitschafts Umsatz Erhaltungs Umsatz =15 Funktionseinschränkungen von Körperzellen bei Sauerstoff- oder Nahrungsmangel Bemerkung: Es gibt jedoch auch andauernd aktive Zellen, z.b. Herzmuskel, Atemmuskulatur. Ebenso sind Gehirn, Leber und Nieren auch bei Körperruhe tätig. Daher ist der Energieumsatz eines ruhenden Organismus nicht gleich der Summe der Bereitschaftsumsätze aller Zellen, Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2A, p.112 /
Definition Grundumsatz - GU Der Grundumsatz umfasst die gesamte Energie, die für die Aufrechterhaltung der normalen Körperzusammensetzung und Funktionen erforderlich ist: Mechanische Arbeit, die durch die Herz- und Atemmuskulatur, die Darmmotilität und den Grundtonus der Muskulatur geleistet wird Funktionen der permanenten Zellerneuerung wie Neusynthese von Zellstrukturen, Proteinen etc. Transportprozesse über die Zellmembranen Aufrechterhaltung der Membranpotentiale
Messung des Grundumsatzes Grundumsatz = Ruheumsatz unter definierten Randbedingungen: 1. Am frühen Morgen nach ausreichender Nachtruhe 2. Liegend, ohne körperliche Bewegung, aber wach 3. Nüchtern, mindestens 12 h nach der letzten Nahrungsaufnahme 4. Frei von Schmerzen oder psychischer Belastung 5. Bei indifferenter Körpertemperatur, ohne zu frieren oder zu schwitzen
Einflussfaktoren auf den GU Der Grundumsatz ist abhängig von: Alter Geschlecht: Frau 6.300 kj/tag = 100% Mann 7.300 kj/tag = 116% Körperoberfläche (Grösse, Gewicht) Körpermasse Hormone: Schilddrüsenhormon, Adrenalin, u.a. Klima Höhenlage
Weitere Einflüsse auf den GU Tageszyklische Schwankungen (Anstieg am Vormittag, Abfall während der Nacht) Körperlicher oder geistiger Tätigkeit Verdauungstätigkeit und anschliessende Stoffwechselprozesse Kalte Umgebung führt zu Muskelzittern In zu warmer Umgebung benötigt die aktive Wärmeabfuhr zusätzliche Energie infolge Schwitzen und vermehrter Kreislaufleistung durch vermehrte Hautdurchblutung Fieber führt infolge von Stoffwechselsteigerung zu einer Energie- Umsatzsteigerung von 14% pro K Temperaturanstieg
Grundumsatz Mann - Frau _ 60 [W /m 2 ] _ 50 [W /m 2 ] _ 40 [W /m 2 ] _ 33 [W /m 2 ] Spezifischer Grundumsatz, bezogen auf 1 m 2 Körperoberfläche, in [W/m^2], als Funktion des Lebensalters bei Männern und Frauen Bem: Man beachte den ausgeprägten Rückgang des Grundumsatzes nach Abschluss des Wachstums. Dem sollte durch Änderung der Essgewohnheiten Rechnung getragen werden. Quelle: nach / Birbaumer-Schmidt 91 :Biologische Psychologie, Abb.7-2B, p.112 /
Umsatzanteil Organe am GU Die einzelnen Organe haben unterschiedlichen Anteil am Grundenergieumsatz, für welchen der Sauerstoffverbrauch ein Mass darstellt Anteil am Grundenergieumsatz [%] O 2 -Verbrauch [mol/d] Leber 25 4 Gehirn 25 4 Muskeln 18 2,8 Nieren 10 1,6 Herz 6 1 Übrige Organe 16 2,6
Psyche, Schmerz, Stress und GU Neben der körperlichen Aktivität führt auch Aufregung, psychische Belastung oder Schmerz zu einer Steigerung des Energieumsatzes Für diese Komponenten des Gesamtenergieumsatzes wurde bisher kein eigener Begriff geprägt In der Literatur liegen bislang jedoch wenig Daten vor, aus denen sich die Grössenordnung der Steigerung abschätzen liesse
Thermoregulation und GU In thermoneutraler Umgebung (29-32 C) muss keine zusätzliche Energie für die Thermoregulation aufgebracht werden Muskelzittern führt zu einer deutlichen Steigerung des Energieumsatzes und damit auch zur Wärmeproduktion Säuglinge können im Gegensatz zum Erwachsenen zusätzlich durch adrenerge Stimulation des braunen Fettgewebes Wärme direkt ohne motorische Aktivität erzeugen Das braune Fettgewebe ist in der Lage durch die mitochondriale Oxidation von Fettsäuren Wärme zu produzieren. Daher ist es bei Säuglingen und winterschlafenden Säugetieren stärker entwickelt
Die postprandiale Thermogenese Die Zufuhr von Energieträgern führt zu einer Steigerung des Energieumsatzes (Digestion, Absorption, Umwandlung und Speicherung Energieverbrauch) 8-15% des täglichen Energieumsatzes Dies entspricht 2-5% der mit Fett, 4-7% der mit Kohlenhydraten und 18-25% der mit Protein aufgenommenen Energiemenge Die postprandiale Thermogenese hält nach proteinreichen Mahlzeiten etwa doppelt so lange an wie nach kohlenhydratund fettreichen Mahlzeiten gleichen Energiegehaltes
Sonstige Thermogenese Mechanismen Unwillkürliche kurzzeitige Muskelaktivitäten (nonexercise activity thermogenesis, NEAT): z.b. unruhig sein (zappeln), erhöhter Muskeltonus, Körperhaltung Coffein, Polyphenole, Paprika (Capsaicin), Rauchen Schilddrüsenhormone Sympathomimetika (z.b. Ephedrin), Antiadiposita (z.b. Sibutramin)
Berechnung des Grundumsatzes 1. Aus Tabelle Alter Körpergewicht (kg) Grundumsatz [kcal/tag] Grundumsatz [MJ/Tag] m w m w m w 15 bis unter 19 Jahre 67 58 1820 1460 7,6 6,1 19 bis unter 25 Jahre 74 60 1820 1390 7,6 5,8 25 bis unter 51 Jahre 74 59 1740 1340 7,3 5,6 51 bis unter 65 Jahre 72 57 1580 1270 6,6 5,3 65 Jahre und älter 68 55 1410 1170 5,9 4,9 m = männlich; w = weiblich Quelle: DGE 2000, S. 25
Berechnung des Grundumsatzes 2. Normogramm GU = ca. 40 kcal pro m2 Körperoberfläche und Stunde Die Körperoberfläche lässt sich aus Körpergrösse und -gewicht berechnen bzw. sehr einfach anhand eines Normogrammes ablesen) 3. Einfache Formel Frau: 700 + 7 x kg Körpergewicht Mann: 900 + 10 x kg Körpergewicht
Berechnung des Grundumsatzes 4. Genauere Formel Frau: 10-18 Jahre: kg x 0,056 + 2,898 19-30 Jahre: kg x 0,062 + 2,036 31-60 Jahre: kg x 0,034 + 3,538 über 60 Jahre: kg x 0,038 + 2,755 Mann: 10-18 Jahre: kg x 0,074 + 2,754 19-30 Jahre: kg x 0,063 + 2,896 31-60 Jahre: kg x 0,048 + 3,653 über 60 Jahre: kg x 0,049 + 2,459 Werte in MJ/d (x 239 => kcal/d)
Berechnung des Grundumsatzes 5. Formel nach Harris-Benedict (Werte wahrscheinlich zu hoch!) Eine der bekanntesten Formeln zur Berechnung des Grundumsatzes ist die Harris-Benedict-Formel (Ergebnis kcal bzw. kj): Männer: GU = 66 + (13.7 x Gewicht in kg) + (5 x Grösse in cm) - (6.8 x Alter in Jahren) Frauen: GU = 655 + (9.6 x Gewicht in kg) + (1.8 x Grösse in cm) - (4.7 x Alter in Jahren)
Berechnung des Grundumsatzes 6. GU = 1 kcal/stunde pro kg Körper-Magergewicht Mittels einer Körperfettmessung kann das Körperfettgewicht (%) und auch das Körper-Magergewicht berechnet werden. Anhand des ermittelten Körper-Magergewichts kann der Energie-Grundumsatz berechnet werden. Beispiel: Ein Mensch mit 55 kg Körper-Magergewicht benötigt: 55 x 1 kcal x 24 Stunden = 55 x 24 = 1320 kcal Grundumsatz
Zusätzlicher Energiebedarf im Alltag Schätzung des Energiebedarfs im Alltag bei a) leichter körperlicher Aktivität und b) Normalgewicht (Normalgewicht=Körpergrösse [cm] 100): Übergewichtige rechnen vom Normalgewicht aus! Männer: Frauen: Energiebedarf [kcal/d] = Körpergewicht [kg] x 35 kcal Energiebedarf [kcal/d] = Körpergewicht [kg] x 30 kcal Modern: Leistungsumsatz, Freizeitumsatz und Arbeitsumsatz ersetzt durch: PAL-Wert
Physical Activity Level - PAL Der Gesamtenergieumsatz wird als Vielfaches vom Grundumsatz gesehen. Das Vielfache wird als PAL-Wert bezeichnet. Je nach Arbeitsgruppe wird ein PAL zwischen 1,4 2,4 angenommen Beispiel: Eine Büroangestellte, die hauptsächlich sitzende Tätigkeit ausübt, hat einen PAL-Wert von 1,4. Berechnung des Gesamtenergiebedarfs (GEB): GEB = GU * PAL
Physical Activity Level - PAL Arbeitsschwere PAL Beispiele Ausschliesslich sitzende oder liegende Lebensweise Ausschliesslich sitzende Tätigkeit mit wenig oder keiner anstrengenden Freizeitaktivität Sitzende Tätigkeit, zeitweilig auch zusätzlicher Energieaufwand für gehende und stehende Tätigkeiten 1,2 Alte, gebrechliche Menschen 1,4-1,5 Büroangestellte, Feinmechaniker 1,6-1,7 Studierende, Fliessbandarbeiter Laboranten Überwiegend gehende und stehende Arbeit 1,8-1,9 Hausfrauen Kellner, Verkäufer Handwerker Körperliche anstrengende berufliche Arbeit 2,0-2,4 Bau-, Wald-, Bergarbeiter, Landwirte
Mengenverteilung der Makronährstoffe
Energiequellen: Empfohlene Anteile 55 % Kohlenhydrate 30 35 % Fette 1/3 gesättigte Fette (z.b. Palmitinsäure) 1/3 einfach ungesättigte (z.b. Ölsäure) 1/3 mehrfach ungesättigte Fette (Linolsäure ) 10 15 % Eiweiss bzw. 0.8 g / kg Körpergewicht/Tag: 50% tierischer Herkunft 50% pflanzlicher Herkunft Essentielle Nährstoffe: Essentielle Aminosäuren Vitamine Spurenelemente
Energiequellen: Empfohlene Anteile Zusammensetzung der Nahrung um 1900 Zusammensetzung der Nahrung heute Zusammensetzung der Nahrung bei idealer Ernährung
Energielieferanten Den täglichen Energiebedarf deckt der Organismus aus Verbrennung von Fetten und Kohlenhydraten, im Bedarfsfall auch aus Eiweiss 1 g Eiweiss liefert 4 kcal 1 g Kohlenhydrate liefert 4 kcal 1 g Fett liefert 9 kcal 1 g Alkohol liefert 7 kcal ( leere Kalorien ) 1 g Wasser liefert 0 kcal
Fette: Tagesbedarf Empfohlene tägliche Fettzufuhr: ca. 1.0 1.2 g/kg KG (72g max.) davon 1/3 mehrfach ungesättigte Fettsäuren (24g) 1/3 einfach ungesättigte Fettsäuren (24g) 1/3 gesättigte Fettsäuren (24g) Die durchschnittliche Fettzufuhr liegt bei uns jedoch bei ca. 130 g/tag versteckte Fette : Wurst, Fleisch, Käse, Milch und Milchprodukte, Nüsse, Süssigkeiten, Chips EFA insgesamt: 3.5% = 9.4g Omega-6-FS : Omega-3-FS (Linol-, Arachidonsäure) : (EPA, DHA, -Linolensäure) 5 : 1 8g : 1.3g
Kohlenhydrate: Tagesbedarf Empfohlene tägliche Kohlenhydratzufuhr: ca. 4.0 5.0 g/kg KG Alle Zuckerarten, Stärke In erster Linie energiespendende Nährstoffe Das Gehirn verstoffwechselt ausschliesslich Glucose
Proteine: Tagesbedarf Empfohlene tägliche Kohlenhydratzufuhr: ca. 0.8 g/kg KG (3.5<) Durch Messung der Stickstoffausscheidung im Harn kann durch Multiplikation mit 6.25 (Kjeldahl-Faktor) die abgebaute Proteinmenge ermittelt werden. Steigerung des Energieumsatzes nach Nahrungsaufnahme, bes. bei Proteinen (30 %) N-Ausscheidung: Hunger-Minimum 5g N (32 g Protein) Absolutes Minimum 2.5g N (15 g Protein) Bilanz-Minimum 15 g N (80 g Protein)
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